DE2124444C3 - Method for determining the thickness or width of flat workpieces - Google Patents
Method for determining the thickness or width of flat workpiecesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen berUhrungsfreien digitalisierten Messen der Dicke oder Breite von ebenen Werkstücken.The invention relates to a method for rapid, non-contact, digitized measurement of the thickness or width of flat workpieces.
Es ist bekannt, Dickfenmessungen mit Hilfe von Röntgenstrahlen oder radioaktiven Präparaten vorzunehmen. Eine Dickenmessung über 100 mm hinaus ist jedoch hierdurch nicht möglich; außerdem muß pit einer langen Meßzeit gerechnet werden.It is known to measure thickness measurements with the help of Take X-rays or radioactive preparations. A thickness measurement beyond 100 mm however, this is not possible; in addition, a long measuring time must be expected.
Eine weitere Möglichkeit, Abmessungen von Werkstücken zu bestimmen, ist die auf optischem Wege, die berührungslose Bestimmungen der Abmessungen gestattet. Die Ausleg schrift 1 548 361 bezieht sich auf eine Anordnung, r ei der das Meßobjekt aus zwei parallelen Strahlenbündeln Teile der Bündelquerschnitte ausblendet. Dis Restbündel werden über rotierende das Licht durchlassende Öffnungen geleitet, unier denen Detektoren fest angeordnet sind. Die Zeitdauer, während der diese Detektoren einen Lichteinfall registrieren, ist dann ein Maß für die Abmessungen des Werkstücks. Infolge der rotierenden Teile dieser Anordnung ist jedoch die· Genauigkeit der Messung gering.Another way of determining the dimensions of workpieces is optically, which allows contactless determinations of the dimensions. The interpretation 1 548 361 relates to an arrangement in which the measurement object consists of two parallel bundles of rays, parts of the bundle cross-sections fades out. The remaining bundles are passed through rotating openings that let the light through, where detectors are fixed. The length of time that these detectors are exposed to light register, is then a measure of the dimensions of the workpiece. As a result of the rotating parts however, with this arrangement, the accuracy of the measurement is poor.
In der Offenlegungsschrift 1 803 285 wird ebenfalls ein optisches Dickenmeßverfahren erläutert, das allerdings nur zur Messung der Dicke von transparenten Folien oder Platten geeignet ist. Es verwertet einen unter 45" auf die Folien oder Platten auffallenden Strahl, der an der Oberseite und an der Unterseite des Meßoojektcs reflektiert wird, aus deren gemessenen Abstand die Dicke bestimmt werden kann.In the laid-open specification 1 803 285, an optical thickness measurement method is also explained which however, it is only suitable for measuring the thickness of transparent foils or plates. It recovers a beam falling below 45 "on the foils or plates, the one at the top and one at the bottom des Meßoojektcs is reflected, from the measured distance of which the thickness can be determined can.
In der deutschen Auslegeschrift 1 051 016 ist ein Verfahren zur Materialstärkenmessung mittels einer Abstandsdifferenzmessuag durch eine reflexionsfähige Strahlung beschrieben. Dazu wird auf je einen Punkt von zwei gegenüberliegenden Werkstückoberflächen die mit einer konstanten Frequenz phasenmodulierte Strahlung ausgesandt. Nach der Reflexion am Werkstück wird in je einem Detektor durch Phasenvergleich die Materialstärke bestimmt. Dieses Verfahren erfordert unter anderem aufwendige Phasenmoduiatoren und Phasenvergleichsstufen, wenn die genannte Genauigkeit von V** mm erzielt werden seil.In the German Auslegeschrift 1 051 016 is a Method for material thickness measurement by means of a distance measurement through a reflective Radiation described. To do this, one point each on two opposing workpiece surfaces the radiation emitted with a constant frequency phase-modulated. After the reflection The material thickness is determined on the workpiece in a detector by phase comparison. This method requires, among other things, complex phase modulators and phase comparison stages when said accuracy of V ** mm is achieved.
Ein Verfahren zur Messung der Länge von Werkstücken ist in der USA.-Patentschrift 3 355 591 beschrieben. Die Strahlungsenergie, die von dem bewegten, an vorgegebenen Stellen vorliegenden zu vermessenden Werkstück ausgeht, wird über eine strahlungsunterbrechende Ablenkmechanik auf einen Detektor gelenkt. Aus de' Zeit, in der der Detektor Strahlungsimpulse empfängt, läßt sich die Länge des Werkstücks ermittein. Da das Werkstück zu seiner Vermessung translatorisch bewegt werden muß und die Meßvorrichtung rotierende Spiegel benötigt, ist die Meßgenauigkeit begrenzt.One method of measuring the length of workpieces is described in U.S. Patent 3,355,591. The radiant energy that is to be measured by the moving, present at predetermined locations Workpiece goes out, is a radiation-interrupting deflection mechanism on one Detector steered. From the time in which the detector receives radiation pulses, the length of the Determine workpiece. Since the workpiece has to be moved in a translatory manner for its measurement and the measuring device requires rotating mirrors, the measuring accuracy is limited.
Bekannt ist weiterhin eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Breite von Werkstücken. Sie ist in derA measuring device for determination is also known the width of workpieces. She is in the
OITcnlcgungSRChrift 1 548 292 beschrieben. Bin selbstlcuchtendcs Werkstück oder ein nicht selbstleuchtcndes Werkstück, das dann an den Kanten beleuchtet wird, sendet in der Nähe der Kanten, deren Abstand gemessen werden soll, Strahlen in zwei Detektoren. Auf dem Weg dorthin werden sie durch einen rotierenden Spiegel in Strahlungsimpulse umgewandelt, wobei die Impulsformen von den Diskontinuitäten des Lichtes, die an den Kanten entstehen, herrühren. Aus der Breite der Impulse läßt sich dann die Breite des Werkstücks bestimmen. Diese Vorrichtung ist jedoch nur geeignet, Abweichungen von einer Sollbreite des Werkstückes zu überwachen. Die Anordnung muß genau nach der Solbreite des Werkstücks hergestellt werden.OITcnlcgungSRChrift 1 548 292 described. I am self-conscious Workpiece or a non-self-luminous workpiece, which then illuminates the edges sends beams into two detectors near the edges whose distance is to be measured. On the way there they are converted into radiation pulses by a rotating mirror, where the pulse shapes result from the discontinuities of the light that arise at the edges. The width can then be derived from the width of the pulses of the workpiece. However, this device is only suitable for deviations from a nominal width to monitor the workpiece. The arrangement must correspond exactly to the width of the workpiece getting produced.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein digitalisiertes Meßverfahren der eingangs angegebenen Art anzugeben, das insbesondere bei automatisierten Fertigungsprozessen nwendbar ist und ganz allgemein die berührungsfreie Abmessung der Breite ao oder Dicke, beispielsweise auch von schnell bewegten oder undurchsichtigen Werkstücken, gestattet.The invention is based on the object of a digitized measuring method of the type specified at the beginning Specify the type that can be used in full, especially in automated manufacturing processes generally the non-contact dimensioning of the width ao or thickness, for example also of fast moving ones or opaque workpieces.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu beiden Seiten der Werkstücksabmessung durch je einen akustooptischen Lichtablenker ein Lasersirahlbündel schrittweise in kleinen Positionen und in verschiedenen Richtungen über die Oberfläche des Werkstücks gelenkt wird, von dort diffus reflektiert wird und jeweils von einem in Abstand von der Werkstücksoberfläche angeordneten Detektor registriert wird, falls dieser Licht aus einer bestimmten Richtung aufnimmt, und daß aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Lichtstrahlablenkung jedes Lichtablenkers und dem Empfang eines Lichtsignals im entsprechenden Detektor die Abmessung des Werkstücks in einem elektronischen Rechner bestimmt wird.This object is achieved according to the invention in that on both sides of the workpiece dimension by means of an acousto-optical light deflector each a laser beam bundle step by step in small positions and is directed in different directions over the surface of the workpiece, diffusely reflected from there is and registered by a detector arranged at a distance from the workpiece surface if this receives light from a certain direction, and that from the time difference between the start of the light beam deflection of each light deflector and the receipt of a light signal the dimensions of the workpiece are determined in an electronic computer in the corresponding detector will.
Bei dem Verfahren, das sich für d je Dickenmessung eines ebenen Werkstücks eignet, wird ein von einem ersten Endpunkt einer zur Werkstücksoberfiäche parallelen Bezugslinie ausgesandter Laserlichtstrahl auf <einen Punkt der einen Werkstücksoberfläche gerichtet, dort diffus reflektiert und gelang zu einem am zweiten Endpunkt der Bezugslinie angeordneten Empfänger, der nur aus einer bestimmten Richtung einfa'lendes Licht registriert, wobei weiterhin symmetrisch zur horizontalen Mittellinie des Werkstücks ein vom ersten Endpunkt einer zweiten zur Werkstücksoberfläche parallelen Bezugslinie ausgesandter zweiter Lichtstrahl auf einen Punkt der entgegengesetzten Seite der Werkstücksoberfläche gerichtet .wird, dort diffus reflektiert wird und zu einem am zweiten Endpunkt der zweiten Bezugslinie angeordneten Empfanger gelangt, der ebenfalls nur aus einer bestimmten Richtung einfallendes Licht registriert und aus den bekannten Winkeln zwischen den ausgesandten bzw. den zurückgeworfenen Lichtstrahlen und der entsprechenden Bezugslinie sowie den bekannten Längen der beiden Bezugslinien auf beiden Seiten des Werkstücks die Abstände der beiden Umlenkpunkte auf dem Werkstück von der entsprechenden Bezugslinie elektronisch bestimmt werden und aus diesen beiden Abständen und dem bekannten Abstand der Bezugslinien die Dicke des Werkstücks elektronisch bestimmt wird.In the method that is suitable for measuring the thickness of a flat workpiece, one of a first end point of a parallel to the workpiece surface Reference line emitted laser light beam directed to <a point on one workpiece surface, there reflected diffusely and succeeded in an am second end point of the reference line arranged receiver who only comes from a certain direction Incident light registered, while still being symmetrical to the horizontal center line of the workpiece one sent from the first end point of a second reference line parallel to the workpiece surface Second light beam directed onto a point on the opposite side of the workpiece surface .will, is reflected diffusely there and is arranged at the second end point of the second reference line Receivers arrives, which also only registers incident light from a certain direction and from the known angles between the emitted and reflected light rays and the corresponding reference line as well as the known lengths of the two reference lines on both Side of the workpiece, the distances between the two deflection points on the workpiece from the corresponding one Reference line can be determined electronically and from these two distances and the known Distance of the reference lines the thickness of the workpiece is determined electronically.
Bei einem Verfahren* das sich zur Breitenmessung eines ebenen Werkstücks eignet, wird von je einem oberhalb des Werkstücks angeordneten akustooptischen Lichtablenker ein Lascrstrahlcnbtindcl itiif die Kanten des Werkstücks gerichtet und von jeweils einem ebenfalls oberhalb des Werkstücks angeordneten Detektor registriert, falls das betreffende Lascrstrahlcnbündel am Werkstück diffus reflektiert worden ibt, wobei bei bekanntem Abstand der beulen Lichtablenker die Breite des Werkstücks aus der Zeitdifferenz zweier Impulse bestimmt wird, die die beiden Detektoren erzeugen, wenn die beiden Lascrstrahlbüniiel gerade die Werkstückkanten schneiden.In a method * that is suitable for measuring the width of a flat workpiece, each Acousto-optic light deflectors arranged above the workpiece are connected to a laser beam Edges of the workpiece directed and each one also arranged above the workpiece Detector registers if the laser beam in question has been diffusely reflected on the workpiece ibt, where with a known distance of the bulging light deflector the width of the workpiece from the Time difference between two pulses is determined, which the two detectors generate when the two Lascrstrahlbüniiel cut the workpiece edges straight.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine digitalisierte Ausgabe der Meßinformationen und erlaubt Kurzzeitmessungen von weniger als 1 Millisekunde, wobei die akustooptischen Lichtablenker wegen ihrer beinahe trägheitslosen elektronischen Ansteuerung zur direkten Verbindung mit einem Digitalrechner sehr gut geeignet sind.The inventive method enables a digitized output of the measurement information and allows short-term measurements of less than 1 millisecond, the acousto-optic light deflectors because of their almost inertia-free electronic Control for direct connection with a digital computer are very well suited.
An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung näher "»"läutert werden.The invention is to be explained in more detail with the aid of the drawings.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Vermessen der Dicke von Werkstücken;1 shows an arrangement for measuring the thickness of workpieces;
F i g. 2 zeigt eine Anordnung zum Vermessen der Breite von Werkstücken;F i g. 2 shows an arrangement for measuring the width of workpieces;
Fig. 3 bis 6 zeigen Diagramme zum Bestimmen der Breite aus den Signalen der Detektoren.3 to 6 show diagrams for determining the width of the signals from the detectors.
Die Fig. 1 zeigt, wie die Dicke eines Materialstücks 22 gemessen wird, das auf einem Fließband vorbeitransportiert wird und deshalb seine Lage verändert und das deshalb in zwei verschiedenen Positionen gezeichnet ist. Ein Lasersender 1, der aus Laseroszillator 2 und einer Ablenkeinheit 3 besteht, sendet vom Punkt 9 aus Licht schrittweise in verschiedene Richtungen in der Zeichenebene, der an den Punkten 5 auf der einen Seite des Werkstücks 22 diffus reflektiert wird, bis einer der Strahlen gerade durch die Öffnungen 10 und 4 des Empfängers 7 hindurchgelangt und dahinter registriert werden kann. Dazu wird der aus dem Lasersender austretende Strahl durch den akustooptischen Lichtablenkei 3 derart abgelenkt, daß er längs Geraden, die alle in einer durch die Bezugslinie 8 verlaufenden Ebene liegen, sich ausbreitet. Läßt man nämlich durch einen Kristall Schallwellen hindurchlaufen, was durch Anregung über einen piezoelektrischen Kristall möglich ist, dann wird ein ebenfalls durch den Kristall laufender Lichtstrahl proportional der Schallfrequenz abgelenkt. Ablenker 3 und Empfänger 7 liegen auf einer horizontalen Bezugslinie 8, so daß ein Dreieck 9, 5, 10 mit der Höhe 11 entsteht. Auf der anderen Seite des Werkstücks 22 liegt eine symmetrische Anordnung vor. Von einem zweiten Lasersender 12, der aus einem Laseroszillator 6 und einer Ablenkeinheit 19 besteht, laufen von einem Pankt 20 einer zweiten horizontalen Bezugslinie 17 in schrittweise abgelenkten Richtungen in der Papierebene Laserstrahlen auf das Werkstück 22 zu, die auf der Seite des Werkstücks 22, die den Punkten 5 gegenüberliegt, in den Punkten 13 diffus reflektiert werden und durch zwei Blenden 14 und 21 eines an der Bezugslinie 17 angeordneten Empfängers 15 hindurchgelangen und dann registriert werden, wenn die durch die Blenden SA und 21 bestimmte Richtung des einfallenden Strahls vorliegt. Es entsteht auf dieser Unterseite wiede. ein Dreieck 20, 14, 13 mit der Höhe 16.1 shows how the thickness of a piece of material 22 is measured which is transported past on a conveyor belt and therefore changes its position and which is therefore drawn in two different positions. A laser transmitter 1, which consists of a laser oscillator 2 and a deflection unit 3, sends light step by step from point 9 in different directions in the plane of the drawing, which is diffusely reflected at points 5 on one side of workpiece 22 until one of the beams just passes through the openings 10 and 4 of the receiver 7 can pass and be registered behind them. For this purpose, the beam emerging from the laser transmitter is deflected by the acousto-optical light deflector 3 in such a way that it spreads along straight lines which all lie in a plane running through the reference line 8. If sound waves are allowed to pass through a crystal, which is possible through excitation via a piezoelectric crystal, then a light beam also passing through the crystal is deflected proportionally to the sound frequency. Deflector 3 and receiver 7 lie on a horizontal reference line 8, so that a triangle 9, 5, 10 with height 11 is created. On the other side of the workpiece 22 there is a symmetrical arrangement. From a second laser transmitter 12, which consists of a laser oscillator 6 and a deflection unit 19, laser beams run from a pan 20 of a second horizontal reference line 17 in gradually deflected directions in the plane of the paper towards the workpiece 22, which are on the side of the workpiece 22 which opposite points 5, are diffusely reflected in points 13 and pass through two diaphragms 14 and 21 of a receiver 15 arranged on reference line 17 and are then registered when the direction of the incident beam determined by diaphragms SA and 21 is present. It arises again on this underside. a triangle 20, 14, 13 with a height of 16.
Für die Bestimmung der Höhen 11 und 16 genügt es, nur den Winkel α bei 9 und den Winkel (S bei 20 aus den piezoelektrischen Wandleransteuerungen zu messen. Da die Winkel, die die am Werkstück 22 ab-To determine the heights 11 and 16, it is sufficient to measure only the angle α at 9 and the angle (S at 20 from the piezoelectric transducer controls.
gelenkten und in den Empfängern 7 und IS registrierten Strahlen mit den Bezugslinien 8 bzw. 17 bilden, fest und bekannt sind und somit in den beiden Dreiecken 9, S, 10 und 20, 14, 13 je zwei Winkel und die Abstände 9-10 bzw. 20-14 bekannt sind, lassen sich daraus die Abstände 11 und 16 aus der Ablenkrichtung der Ablenker elektronisch bestimmen. Der Laserstrahl wird nämlich über viele Positionen schrittweise abgelenkt, und jedem Zeitpunkt wird eine bestimmte Lichtstrahlrichtung zugeordnet. Jeder Lichtstrahlrichtung ist dann ein bestimmter Abstand des Werkstücks von den Bezugslinien eindeutig zugeordnet, so daß die im Zeitpunkt der Detektorsignale steckenden elektronischen Informationen in einem elektronischen Rechner nur umgesetzt zu werden brauchen. Zur Bestimmung der Dicke des Werkstücks 22 werden dann ebenfalls elektronisch die Abstände J1 und 16 vom Abstand 18 der Bezugslinien 8 und 17 subtrahiert.guided and registered in the receivers 7 and IS beams with the reference lines 8 and 17, fixed and known and thus in the two triangles 9, S, 10 and 20, 14, 13 each two angles and the distances 9-10 or 20-14 are known, the distances 11 and 16 can be determined electronically from the deflection direction of the deflectors. The laser beam is deflected step by step over many positions, and a specific light beam direction is assigned to each point in time. A certain distance of the workpiece from the reference lines is then clearly assigned to each light beam direction, so that the electronic information contained at the time of the detector signals only needs to be converted in an electronic computer. To determine the thickness of the workpiece 22, the distances J1 and 16 are then also electronically subtracted from the distance 18 of the reference lines 8 and 17.
Durch die in der F i g. 2 gezeigte Anordnung läßt sich die Breite eines Werkstückes messen. Sie zeigt einen Lasersender 23, der nach zwei entgegengesetzten Richtungen Laserstrahlung aussendet, die durch die Umlenkprismen 24 und 25 auf die beiden Lichtablenker 26 und 27 gerichtet sind. Von hier werden die beiden Strahlen im wesentlichen senkrecht zu den beiden Kanten 28 und 29 des Werkstückes 30, die die Breite des Werkstücks 30 bestimmen, abgelenkt. Solange die beiden Strahlen noch auf die Werkstücksobcrflnche auftreffen, werden sie dort diffus reflektiert und gelangen in die Detektoren 31 und 32, die dieses Licht registrieren. Werden die beiden= Strahlen über die Werkstückskanten 28 und 29 hinauSi abgelenkt, so können sie nicht mehr in die Detektoren 31 und 32 gelangen. Die Breite des Werkstücks 30 wird nun durch den Zeitpunkt bestimmt, in dem die auf das Werkstück fallenden Lichtstrahlen gerade die Kanten 28 und 29 erreichen Dies wird an Hand der Fig. 3 bis 6 näher erläutert.Through the in the F i g. The arrangement shown in FIG. 2 can be used to measure the width of a workpiece. she shows a laser transmitter 23, which emits laser radiation in two opposite directions, which through the deflecting prisms 24 and 25 on the two light deflectors 26 and 27 are directed. From here the two rays become essentially perpendicular to the two edges 28 and 29 of the workpiece 30, which determine the width of the workpiece 30, deflected. So long the two beams still hit the workpiece surface impinge, they are reflected diffusely there and reach the detectors 31 and 32, which this Register light. If the two = beams are deflected over the workpiece edges 28 and 29, so they can no longer get into the detectors 31 and 32. The width of the workpiece 30 will now be determined by the point in time at which the light rays falling on the workpiece just hit the edges 28 and 29 achieve this with reference to FIG. 3 to 6 explained in more detail.
Die F i g. 3 bis 6 zeigen vier Diagramme, in denen ίο in Fig. 3 die Ablenkfrequenz726 des Ablenkers 26 über der Zeit / aufgetragen ist. Infolge des treppenförmigen Anstieges der Frequenz wird der aus dem Ablenker 26 austretende Lichtstrahl schrittweise abgelenkt. In der F i g. 4 ist das am Detektor 31 empfangene Lichtsignal / 31 gegen die Zeit / aufgetragen. Während der Zeit Δ ti läuft der abgelenkte Lichtstrahl an der Kante 26 vorbei nach außen, so daß kein Signal empfangen wird. Erst wenn der Lichtstrahl die Oberfläche des Werkstücks 20 erreicht, registriert der Detektor 31 ein Signal/31.The F i g. 3 to 6 show four diagrams in which ίο in FIG. 3 the deflection frequency 726 of the deflector 26 is plotted against time /. As a result of the step-like increase in frequency, the light beam emerging from the deflector 26 is gradually deflected. In FIG. 4, the light signal / 31 received at the detector 31 is plotted against time /. During the time Δ ti , the deflected light beam runs past the edge 26 to the outside, so that no signal is received. Only when the light beam reaches the surface of the workpiece 20 does the detector 31 register a signal / 31.
In der Fig. 5 ist die Ablenkfrequenz γ27 des Ablenkers 27 über die Zeit t aufgetragen, die ebenfalls treppenförmig verläuft. Der Detektor 32 empfängt nach einer Zeit All (Fig. 6) ein Signal 732. Im allgemeinen werden die von den Ablenkern 26 und 27 weitergeleiteten Lichtstrahlen die beiden Werkstückskanten 28 und 29 zu verschiedenen Zeiten erreichen. Aus dieser Zeitdifferenz Λ t laßt sich nun die Breite B des Werkstücks 30 gemäß der Formel B — h0 + K ■ At bestimmen; b0 bedeutet dabei den Abstand der beiden Lichtablenker 26 und 27.In FIG. 5, the deflection frequency γ 27 of the deflector 27 is plotted over the time t , which also runs in the shape of a staircase. The detector 32 receives a signal 732 after a time All (FIG. 6). In general, the light beams transmitted by the deflectors 26 and 27 will reach the two workpiece edges 28 and 29 at different times. From this time difference Λ t , the width B of the workpiece 30 can now be determined according to the formula B − h 0 + K · At ; b 0 means the distance between the two light deflectors 26 and 27.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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